En el estudio Highly dynamic gamma-ray emissions are common in tropical thundercloud, publicado el 2 de octubre en la revista Nature, los científicos Martino Marisaldi y Nikolai Østgaard se describe la formación de los destellos de rayos gamma parpadeantes (FGF, por sus siglas en inglés) en el interior de las nubes de tormenta tropicales, tal como se indica en el Abstract del artículo:
En el interior de las nubes de tormenta ya se conocía como se originan dos fenómenos diferentes que implican la formación de radiaciones ionizantes: destellos de rayos gamma terrestres (TGF) y resplandores de rayos gamma. Ambos están relacionados con una avalancha de electrones acelerados a energías relativistas pero en lo demás tienen diferentes características. Se sabe que los resplandores duran de uno a cientos de segundos, tienen intensidades moderadas y se originan a partir de campos de nubes de tormenta cuasi estacionarios. Los TGF exhiben altas intensidades y tienen duraciones características de decenas a cientos de microsegundos. Los TGF a menudo muestran una asociación cercana con una emisión de fuertes señales de radio y pulsos ópticos, lo que indica la participación de guías de rayos en su generación.
En el artículo, informamos de observaciones únicas de un fenómeno diferente, al que se ha llamado destellos de rayos gamma parpadeantes (FGF, por sus siglas en inglés). Los FGF se parecen a los TGF multipulso habituales, pero tienen más pulsos y cada pulso tiene una duración más larga que los TGF ordinarios. Las duraciones de los FGF van de 20 a 250 ms, que alcanza el límite inferior de la duración del resplandor de rayos gamma. Los FGF son silenciosos en cuanto a radio y ópticamente, lo que los distingue de los TGF normales.
Un FGF comienza como un resplandor de rayos gamma ordinario, luego aumenta de repente exponencialmente en intensidad y se convierte en un modo inestable, "parpadeante", con una secuencia de pulsos. Los FGF podrían ser el eslabón perdido entre los resplandores de rayos gamma y los TGF convencionales, cuya ausencia ha desconcertado a la comunidad de electricidad atmosférica durante dos décadas.
Los datos para la realización de este estudio se obtuvieron en julio de 2023. La Agencia Espacial de Estados Unidos realizó 10 vuelos con su avión ER-2, del mismo tipo que los U2 de la Guerra Fría, subiendo a una altitud de 20 kilómetros y sobrevolando cuantas veces fue posible las más activas tormentas tropicales que encontraron en ese momento en el Caribe y América Central.
Este avión de reacción es capaz de volar durante horas cargado de instrumentos científicos. En Tierra, un equipo de investigadores y meteorólogos fueron guiando al piloto, informándole de dónde iba a producirse la próxima descarga eléctrica con una palabra en clave: “glow!”, resplandor en inglés. El piloto pasaba enronces a apenas dos kilómetros y medio de las nubes y sus descargas eléctricas.
Por su diseño, solo un piloto puede volar dentro del ER-2, enfundado en un traje presurizado como el de los astronautas. Uno de ellos comentó que las nubes tenían “un extraño color púrpura por el vertiginoso ritmo al que descargaban los rayos”.
Los resultados de la campaña desvelaron que existen otras formas en que los temporales generan radiactividad en forma de rayos gamma, el tipo de radiación que también producen las explosiones nucleares o la desintegración de elementos radiactivos como el uranio. Las grandes tormentas tropicales generan rayos gamma durante horas y cubren áreas de más de 9.000 kilómetros cuadrados.
Las nubes de tormenta se comportan como aceleradores de partículas. En todo momento, en el planeta tenemos unas 2.000 nubes de tormenta activas y cada segundo se producen unos 45 rayos.
El artículo publicado en Nature describe un nuevo tipo de emisión de rayos gamma dentro de la tormenta llamado destello de rayos gamma parpadeante (TGF, en sus siglas en inglés). Este fenómeno conecta los dos tipos de misión de radiación gamma ya conocidos, los resplandores, que pueden llegar a durar más de un minuto, y los destellos terrestres, que son más intensos pero duran microsegundos. Los TGF suceden justo después de los destellos y antes de los rayos. Esto implica que hay un proceso hasta ahora desconocido que descarga parte de la energía en forma de radiación gamma, y que a su vez podría ser el paso previo para que se forme un rayo.
Si no se diese este proceso que descarga mucha energía en forma de radiación gamma, las tormentas estarían mucho más electrificadas y probablemente generarían descargas mucho más potentes y peligrosas.
Estos tres tipos de emisiones de radiación gamma que se producen dentro de las nubes de tormenta están relacionados con el proceso denominado avalancha de electrones relativistas fuera de control. Son relativistas porque viajan a casi la velocidad de la luz, el límite máximo permitido en el universo, según la teoría de la relatividad de Albert Einstein. Cuando esos electrones chocan con moléculas de aire, generan electrones y fotones de alta energía. El potencial dentro de la nube se hace tan grande que también se crean positrones, las partículas de antimateria complementarias del electrón, pero con carga opuesta.
La radiación gamma se produce en todas las tormentas con campos eléctricos lo suficientemente grandes. Esto incluiría no solo las tropicales, sino también las que pueden producirse en Europa.
Los rayos gamma no entrañan riesgos para las personas, ya que habría que estar muy cerca de la nube para recibir una dosis significativa. Lo más peligroso de meter un avión en una de estas tempestades serían las enormes turbulencias. Los rayos, en cambio, no son demasiado preocupantes. Es relativamente frecuente que un avión comercial reciba una descarga eléctrica, sucede unas dos veces al año, y en la mayoría de los casos no hay ningún daño.
En la década de 1990, los satélites de la NASA diseñados para detectar partículas de alta energía procedentes de supernovas y otros objetos celestes descubrieron algo increíble: las grandes tormentas eléctricas terrestres generan emisiones de radiación gamma de alta energía.
En 1960, la Unión Soviética derribó el avión del piloto estadounidense Francis Gary Powers mientras sobrevolaba Ekaterimburgo. El aviador fue capturado vivo y condenado a 10 años de cárcel, mientras se exhibían en público los restos del fuselaje.
Seis décadas después, el mismo tipo de avión, reconvertido para uso científico, ha permitido observar como nunca antes lo que sucede dentro de una tormenta eléctrica. Los rayos son capaces por un instante de calentar la atmósfera a 20.000 grados, tres veces más que la temperatura en la superficie del Sol.
La física de las tormentas
La física general que hay detrás de cómo las tormentas eléctricas crean destellos de alta energía de radiación gamma no es un misterio. A medida que se desarrollan las tormentas, las corrientes de aire arremolinadas, junto a las gotas de agua, el granizo y el hielo, generan una carga eléctrica como la que se produce al frotar un globo con una toalla.
Las partículas con carga positiva terminan en la parte superior de la tormenta, mientras que las cargadas negativamente caen al fondo, creando un enorme campo eléctrico que puede ser tan fuerte como 100 millones de pilas AA.
Cuando otras partículas cargadas, como los electrones, se encuentran en un campo tan intenso, aceleran y, si alcanzan una velocidad suficiente, y chocan con una molécula de aire, expulsan más electrones de alta energía.
El proceso se desarrolla en cascada hasta que las colisiones tienen energía suficiente para crear reacciones nucleares y producir destellos extremadamente fuertes y rápidos de rayos gamma, antimateria y otras formas de radiación.
No hay comentarios:
Publicar un comentario